La problématique des résonances acoustiques dans un tube corrugué sous écoulement a été étudiée conjointement sur le plan expérimental et numérique. Des analyses portant sur la structure de l’écoulement lors de l’apparition du sifflement sont réalisées. Elles visent à mieux comprendre la nature du phénomène et le couplage aéroacoustique en jeu.Des expériences en laboratoire sur trois géométries de veines corruguées de petites longueurs(1 à 2 m) ont été réalisées. Un écoulement d’air était appliqué pour des vitesses comprises entre10 et 25 m/s et une pression voisine de la pression atmosphérique faisant apparaître les résonancesacoustiques longitudinales. Des mesures par fil chaud, microphone et par technique laser (Particle ImageVelocimetry) ont permis de caractériser l’écoulement dans des conditions favorisant le sifflement. Sur ces différentes mesures, nous avons appliqué une technique de reconstitution spatio-temporelle, laLinear Staochastic Estimation (LSE). Des simulations numériques de type Lattice Boltzmann (2D, codePOWERFLOW, EXA) ont permis de prédire ce phénomène aéroacoustique avec une bonne détermination des modes préférentiels selon les conditions d’écoulement dans un tuyau corrugué court(1 à 2 m).Finalement, des essais à haute pression (P < 40 bars) conduits sur un riser industriel de 18 m ontcomplété cette étude. Dans ce cas, la résonance produite devenait transverse. Des traitements dessignaux tels que la transformation de Hilbert Huang ou par ondelettes de Gabor ont été appliqués mettant en évidence l’influence de la géométrie des corrugations sur le sifflement en temps, en fréquence et enamplitude.Dans les deux configurations, que ce soit en laboratoire ou en installation industrielle, les structures au sein de l’écoulement, dont la fréquence caractéristique était celle du sifflement, se déplaçaient à la vitesse de l’écoulement. Dans les deux cas, lorsque le tuyau corrugué se met à chanter, les mesures de vitesse et de pression dans l’écoulement montre une prédominance du pseudo-bruit sur le signal sonore. L’excitation observée sur les risers en condition de sifflement est celle d’un pseudo-bruit de niveau defluctuations très important sans distorsion non linéaire, et ce malgré un niveau de 170 dB. / The problem of acoustic resonances in a corrugated pipe under flow has been studied both experimentally and numerically. Analyzes concerning the flow structure during the whistling phenomenon are performed. They aim to better understand the nature of the phenomenon and the aeroacoustic coupling involved.Laboratory experiments were carried out on three geometries of corrugated veins of short lengths(1 to 2 m). An air flow was applied for speeds between 10 and 25 m/s and a pressure close toatmospheric pressure showing the longitudinal acoustic resonances. Measurements by hotwires,microphone and laser technique (Particle Image Velocimetry) allowed to characterize the flow under conditions favoring whistling. On these different measures, we applied a spatio-temporal reconstructiontechnique, the Linear Staochastic Estimation (LSE). Numerical simulations of Lattice Boltzmann method (2D, POWERFLOW code, EXA) have made possible the prediction of this aeroacousticphenomenon with a good determination of the preferential modes according to the flow conditions in ashort corrugated pipe (1 to 2 m).Finally, high pressure tests (P < 40 bars) conducted on an industrial riser of 18 m completed thisstudy. In this case, the resonance produced became transverse. Signal processing such as the HilbertHuang transformation or Gabor wavelet has been applied, highlighting the influence of the corrugation geometry on whistling in time, frequency and amplitude.In both configurations, whether in the laboratory or in an industrial facility, the structures within the flow, whose characteristic frequency was whistling, moved at the rate of flow. In both cases, when the corrugated pipe sings, velocity and pressure measurements in the flow show a predominance of the pseudo-noise on the sound signal. The excitation observed on the risers in the whistling condition is that of a pseudo-noise of very high level of fluctuations without non-linear distortion, and this despite a level of 170 dB.

Ce manuscrit est consacré au développement et à la validation d'un nouveau modèle de collision destiné à améliorer la stabilité des modèles lattice Boltzmann (LB) d'ordre élevés lors de la simulation d'écoulements : (1) isothermes et faiblement compressibles à nombre de Reynolds élevés, ou (2) compressibles et comprenant des discontinuités telles que des ondes de choc. Ce modèle de collision s'appuie sur une étape de régularisation améliorée. Cette dernière inclut désormais un calcul par récurrence des coefficients hors-équilibre du développement en polynômes d'Hermite. Ces formules de récurrence sont directement issues du développement de Chapman-Enskog, et permettent de correctement filtrer les contributions non-hydrodynamiques émergeant lors de l'utilisation de maillages sous-résolus. Cette approche est d'autant plus intéressante quelle est compatible avec un grand nombre de réseaux de vitesses discrètes. Ce modèle LB d'ordre élevé est validé tout d'abord pour des écoulements isothermes à nombre de Reynolds élevé. Un couplage avec une technique de capture de choc permet ensuite d'étendre son domaine de validité aux écoulements compressibles incluant des ondes de choc. Ce travail se conclut avec une étude de stabilité linéaire des modèles considérés, le tout dans le cas d'écoulements isothermes. Ceci permet de quantifier de manière distincte l'impact des discrétisations en vitesse et numérique, sur le comportement spéctrale du jeu d'équations associé. Cette étude permet au final de confirmer le gain en stabilité induit par le nouveau modèle de collision. / This thesis is dedicated to the derivation and the validation of a new collision model as a stabilization technique for high-order lattice Boltzmann methods (LBM). More specifically, it intends to stabilize simulations of: (1) isothermal and weakly compressible flows at high Reynolds numbers, and (2) fully compressible flows including discontinuities such as shock waves. The new collision model relies on an enhanced regularization step. The latter includes a recursive computation of nonequilibrium Hermite polynomial coefficients. These recursive formulas directly derive from the Chapman-Enskog expansion, and allow to properly filter out second- (and higher-) order nonhydrodynamic contributions in underresolved conditions. This approach is even more interesting since it is compatible with a very large number of velocity sets. This high-order LBM is first validated in the isothermal case, and for high-Reynolds number flows. The coupling with a shock-capturing technique allows to further extend its validity domain to the simulation of fully compressible flows including shockwaves. The present work ends with the linear stability analysis(LSA) of the new approach, in the isothermal case. This leads to a proper quantification of the impact induced by each discretization (velocity and numerical) on the spectral properties of the related set of equations. The LSA of the recursive regularized LBM finally confirms the drastic stability gain obtained with this new approach.

Após a excitação de uma amostra semicondutora por um pulso ultracurto, os fotoporadores interagem com a rede excitando modos longitudinais ópticos. Essa interação provoca variações no índice de refração do material, produzindo modulações na resposta óptica do meio (efeito eletro-óptico). Por outro lado, esta dinâmica origina polarizações dependentes do tempo o que gera emissão de radiação terahertz. Experimentos recentes (pump-probe) observaram modulações do campo através de medidas da refletividade resolvidas no tempo. A refletividade e o campo estão relacionados segundo o efeito eletro-óptico. Também se resolve temporalmente o campo irradiado pela amostra, através de antenas que operam na faixa de terahertz. Tanto as medidas eletro-ópticas quanto de emissão terahertz fornecem informações sobre a interação dinâmica do plasma com a rede após a excitação óptica. Nesse trabalho simulamos a interação dinâmica de plasma e fônons em n-GaAs e Telúrio (\"bulk\") após estes serem excitados por um pulso ultracurto. Utilizamos equações hidrodinâmicas para descrever transporte de cargas e uma equação fenomenológica de oscilador harmônico forçado, para descrever oscilações longitudinais ópticas da rede. Complementando nossa descrição temos a equação de Poisson, com a qual calculamos o campo gerado pelo plasma e pela polarização da rede semicondutora. Essas equações constituem um sistema de seis equações diferencias (quatro parciais) acopladas. Para resolvê-las utilizamos o método das diferenças finitas. Do cálculo numérico obtemos a evolução temporal do campo elétrico no interior do material. Com esse campo determinamos as freqüências de oscilação do sistema e calculamos o campo irradiado. Nossos resultados apresentam acordo qualitativo com os experimentos / Above-band-gap optical excitation of semiconductors generates highly non-equilibrium photocarriers which interact with phonons thus exciting vibrational modes in the system. This interaction induces refractive-index changes via the electro-optic effect. Moreover it gives rise to electromagnetic radiation at characteristic frequencies (terahertz). Both effects have been measured by time-resolved ultra fast spectroscopy. Recent pump-probe experiments have found strong modulations of the internal electric field through electro-optic measurements. The emitted electromagnetic radiation has also been detected by a terahertz dipole antenna. Both electro-optic and terahertz emission measurements provide information about the coupled dynamics of photocarriers and phonons. In this work we simulate the dynamics of plasmon-phonon coupled modes in n-GaAs and Tellurium (bulk) following ultrafast laser excitation. The time evolution of the photocarrier densities and currents is described semi classically in terms of the moments of the Boltzmann equation. Phonon effects are accounted for by considering a phenomenological driven-harmonic-oscillator equation, which is coupled to the electron-hole plasma via Poisson\'s equation. These equations constitute a coupled set of differential equations. We use finite differencing to solve these equations. From the numerical results for the evolution of internal fields we can calculate both the characteristic frequencies of system and its terahertz radiation spectrum. Our results are consistent with recent experimental data

Utilizando conceitos de macânica quântica e teoria cinética apresentamos uma rederivação da equação de Boltzmann para a polarização. Mostramos a equivalência entre a equação que derivamos e a equação de Boltzmann encontrada na literatura ( [1], [2], [3] ) além de mostrar que essas derivações correspondem a considerar-se o efeito, sobre a polarização dos fótons da radiação cósmica de fundo, de dois espalhamentos Thompson com elétrons durante recombinação. Conduzimo-nos, ainda, a descrever a polarização completamente no espaço real, como iniciado em [4] em um caso especial. Mostramos a possibilidade dessa conversão, recobramos a geometria que está associada ao estudo do problema no espaço real e verificamos satisfeitas as condições de causalidade. / Applying concepts of quantum mechanics and kinetic theory we show a re-derivation of Boltzmann equation for the Cosmic Microwave Background (CMB) polarization. We show the equivalence between our derivation and those already known ( [1], [2], [3] ) and also that these derivations correspond to take into account the effect, on the photon polarization, of two Thompson scattering on electrons while decoupling from matter. We adress ourselves, then, to give a complete formalism for the CMB polarization problem in real space, as started in [4] in a special case. Besides the possibility of complete treatment of the problem in real space, we recover the geometry that describes it and that tha causal relations are satisfied.

Un large spectre d’applications en ingénierie est concerné par les écoulements de fluides en interaction avec des structures poreuses, allant de problèmes à petite échelle jusqu’à des problématiques de plus grande échelle. Ces structures poreuses, souvent à géométries complexes, peuvent se déplacer ou se déformer en réponse au forçage exercé par l’écoulement environnant.Le but de ce travail est de proposer un modèle numérique pour la simulation macroscopique d’écoulements de fluide interagissant avec des milieux poreux mobiles à géométries complexes, qui soit facile d’implémentation et pouvant être utilisé dans une large gamme d’applications. Pour atteindre cet objectif, la méthode de Lattice Boltzmann est utilisée pour résoudre l’écoulement dans des milieux poreux à l’échelle d’un volume représentatif élémentaire. Pour l’implémentation du mouvement désiré, le concept de frontières immergées est adopté. Dans ce contexte, un nouveau modèle est proposé pour traiter des milieux poreux en volume, dont la résistance à l’écoulement environnant est modélisé par la loi de Brinkman-Forchheimer-Darcy étendue.L’algorithme est d’abord testé sur l’écoulement à travers un cylindre fixe. La simplicité de ce cas test académique permet de caractériser finement la précision de la méthode. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler des écoulements de fluide autour et à travers des corps poreux mobiles, à la fois pour des géométries confinées et pour des écoulements ouverts. L’invariance Galiléenne des équations moyennées macroscopiques gouvernant la dynamique du fluide est démontrée. D’excellents accords avec les résultats de référence sont obtenus pour les différents cas testés. / A wide spectrum of engineering problems is concerned with fluid flows in interaction with porous structures, ranging from small length-scale problems to large ones. These structures, often of complex geometry, may move/deform in response to the forces exerted by the surrounding flow. Despite the advancements in computational fluid dynamics, the numerical simulation of such configurations - a valuable tool for the study of the flow physics involved - remains a challenging task.The aim of the present work is to propose a numerical model for the macroscopic simulation of fluid flows interacting with moving porous media of complex geometry, that is easy to implement and can be used in a range of applications. To achieve this, the Lattice Boltzmann method is employed for solving the flow in porous media at the representative elementary volume scale. For the implementation of the desired body motion, the concept of the Immersed Boundary method is adopted. In this context, a novel model is proposed for dealing with moving volumetric porous media, whose resistance to the surrounding flow obeys the Brinkman-Forchheimer-extended Darcy law. The algorithm is initially tested for flow past a static cylinder. The simplicity of this academic test case allows us to assess in detail the accuracy of the proposed method. The model is later used to simulate fluid flows around and through moving porous bodies, both in a confined geometry and in open space. We are able to demonstrate the Galilean invariance of the macroscopic volume-averaged flow governing equations. Excellent agreement with reference results is obtained in all cases.

Les écoulements autour de structures en mouvement font l'objet de plusieurs travaux numériques et expérimentaux. L'objectif de ce travail de thèse consiste à montrer la pertinence de la combinaison de la pénalisation volumique avec la méthode de lattice Boltzmann (LBM), dans l'étude du mouvement d'obstacles mobiles dans un écoulement, et de leur interaction avec celui-ci. La LBM,qui est simple et précise à mettre en œuvre, a prouvé ces dernières années son efficacité dans le domaine de la mécanique des fluides. Par ailleurs, la méthode de pénalisation volumique consiste à introduire un terme de pénalisation dans l'équation que l'on souhaite résoudre, afin de prendre en compte l'influence de l'obstacle sur le domaine fluide. Comme cette équation est résolue sur l'ensemble du domaine composé du fluide et du solide, les conditions aux limites à l'interface fluide-solide sont appliquées de façon naturelle. Il semble donc aisé de combiner cette technique avec la méthode de lattice Boltzmann. Nous avons dans un premier temps rappelé les notions de base et les principales caractéristiques de la méthode de lattice Boltzmann. On a présenté quelques exemples d'applications sur des cas tests, que nous avons programmés. Ensuite, une étude bibliographique faisant état des différentes approches qui utilisent la LBM dans l'étude des problèmes d'interaction fluide structure (IFS) a été réalisée. Puis, la combinaison de la pénalisation volumique avec la LBM a été testée avec succès sur l'équation de Burgers monodimensionnelle. La validation s'est portée en premier lieu, sur un écoulement autour d'un solide fixe, puis sur un écoulement autour d'une structure dont le mouvement est imposé, et finalement sur un problème d'IFS de type masse-ressort. La méthode développée a été ensuite testée sur les équations de Navier-Stokes, en considérant un fluide incompressible et une structure rigide. La validation s'est portée tout d'abord sur un écoulement autour d'obstacles immobiles (carré et cylindre), puis autour d'un cylindre mobile en oscillations forcées et libres. Enfin, une dernière application a été portée sur un écoulement entre deux plaques mobiles dans un canal. Nous avons montré que pour tous les cas étudiés, l'approche développée donne de bons résultats, elle reproduit avec précision les résultats de référence. / Flows around moving bodies are the subject of several numerical and experimental studies. The work presented in this document deals with the implementation of a volume penalization technique in a lattice Boltzmann model (LBM), in order to compute flows around moving obstacles. The LBM, which is accurate and easy to implement, has been successfully applied in fluid mechanics during the last decades. It was thus chosen in the present work, for flow computation. Furthermore, the volume penalization technique consists in introducing a volume penalization term into the equation that needs to be solved, in order to take into account the influence of the obstacle on the fluid domain. Since this equation is solved on both fluid and solid domains, the boundary conditions at the fluid-solid interface are naturally applied. Hence this technique seems easy to implement in a lattice Boltzmann framework. In the first chapter, the foundations and the main features of the lattice Boltzmann method are recalled, and several test cases that we simulated are presented. The second chapter deals with a literature review of the techniques developed for the simulation of fluid structure interaction problems in combination with the LBM. In the third chapter, the volume penalization method combined with the LBM was first applied to the one dimensional Burgers equation, considering motionless and moving obstacles (forced motion, and coupling between the fluid force calculated with the penalized Burgers equation and the motion of the obstacle). The combination of the volume penalization approach and the LBM was then employed to solve the incompressible NavierStokes equations, for cases of flows past motionless obstacles (flows over a square obstacle, and past a circular cylinder), and past an oscillating cylinder (where forced and free oscillations of the cylinder were simulated). Finally, this method was also applied to a symmetric Couette flow. For all these simulated cases, a good agreement with numerical results obtained with other techniques, and with results found in literature, was obtained.

Ce manuscrit présente des résultats d’analyse mathématique autour de deux exemples de problèmes singuliers d’équations aux dérivées partielles issus de la modélisation. I. Diffusion croisée en dynamique des populations. En dynamique des populations, les systèmes de réaction –diffusion croisée modélisent l’évolution de populations d’espèces en compétition avec un effet répulsif entre les individus. Pour ces systèmes fortement couplés, souvent non linéaires, une question aussi fondamentale que l’existence de solutions se révèle extrêmement complexe. Dans ce manuscrit, on introduit une approche basée sur des extensions récentes de lemmes de dualité et sur des méthodes d’entropie. On démontre l’existence de solutions faibles dans un cadre général de systèmes de réaction-diffusion croisée, ainsi que certaines propriétés qualitatives des solutions. II. Équation de Boltzmann en domaine borné. L’équation de Boltzmann, introduite en 1872, modélise la dynamique des gaz raréfiés hors équilibre. Malgré les nombreux résultats autour de la question de l’existence de solutions fortes proches de l’équilibre, très peu concernent le cas d’un domaine borné, situation pourtant fréquente dans les applications. Une raison de la difficulté du problème est l’irruption des singularités le long des trajectoires rasant le bord du domaine. Dans ce manuscrit, on présente une théorie de la régulation de l’équation de Boltzmann en domaine borné. Grâce à l’introduction d’une distance cinétique qui compense les singularités au bord, on montre des résultats de propagation de normes de Sobolev et de propagation C^1 en domaine convexe. En domaine non convexe, on montre un résultat de propagation de régularité BV. / This manuscript presents results of mathematical analysis concerning two singular problems of partial differential equations coming from the modeling. I. Cross-diffusion in Population dynamics. In Population dynamics, reaction-cross diffusion systems model the evolution of the populations of competing species with a repulsive effect between individuals. For these strongly coupled, often non linear systems, a question as basic as the existence of solutions appears to be extremely complex. In this manuscript, we introduce an approach based on the most recent extensions of duality lemmas and on entropy methods. We prove the existence of weak solutions in a general setting of reaction-cross diffusion systems, as well as some qualitative properties of the solutions. II. Boltzmann equation in bounded domains The Boltzmann equation, introduced in 1872, model the evolution of a rarefied gas out of equilibrium. Despite the numerous results concerning the existence of strong solutions close to equilibrium, very few concern the case of bounded domain, though this situation is very useful in applications. A crucial reason of the difficulty of this problem is the formation of a singularity on the trajectories grazing the boundary. In this manuscript, we present a theory of the regularity of the Boltzmann equation in bounded domains. Thanks to the introduction of a kinetic distance which balances the singularity, we obtain results of propagation of Sobolev norms and C^1 propagation in convex domains. In non convex domains, we obtain the propagation of BV regularity.

La modélisation des écoulements et du transport dans les milieux poreux est un domaine actif pour, notamment, progresser dans la compréhension du transfert des polluants dans les sols. Les sols présentent fréquemment des hétérogénéités comme des macropores (provoqués par la faune, la flore ou des fissures) et un certain nombre de modèles numériques utilisent les concepts de double ou de multi-perméabilité pour tenir compte de tous les types d’écoulements susceptibles de coexister dans de tels systèmes. Cependant, les modèles classiques semblent sous-estimer l’effet de la macroporosité sur l’écoulement et le transfert préférentiels et restreindre la zone d’écoulement préférentiel au seul volume occupé par la macroporosité. Diverses études expérimentales antérieures à cette thèse ont questionné cette hypothèse. Cette étude se propose de comprendre l’établissement de l’écoulement et du transport préférentiel et en particulier les mécanismes d’échange d’eau et de masse entre un macropore et une matrice poreuse environnante en condition saturée. Pour cela, des traçages de l’eau sont réalisés pour un milieu poreux modèle constitué de billes de verre, traversé par un macropore synthétique et mis en place en colonnes de laboratoire. Elution et transfert dans les colonnes sont caractérisés par suivi de la concentration en sortie et par imagerie par résonance magnétique. Un modèle numérique développé sur la base de la méthode de Boltzmann sur réseau est utilisé pour simuler numériquement des écoulements dans un système macroporé et identifier les mécanismes d’écoulements préférentiels à l’échelle de pores. Les données expérimentales montrent que le transfert du traceur est fortement dépendant du débit d’injection ainsi que du coefficient de diffusion dans l’eau. À fort débit, le transfert semble s’effectuer exclusivement dans le macropore, avec très peu d’échange avec la matrice. Pour des débits plus faibles, la percée présente une inflexion suivie d’un pic. Les images IRM montrent alors un échange significatif de traceur entre le macropore et la matrice poreuse environnante. Les simulations numériques sont utilisées pour calculer le champ de vitesse de l’écoulement dans le système en fonction du débit. Les modélisations numériques montrent que l’écoulement préférentiel est étendu dans la matrice poreuse sur une zone de même dimension que le diamètre moyen des grains indépendamment de la taille du macropore et du débit, dans la gamme de débits simulés. Ces résultats expérimentaux et numériques montrent que l’influence du macropore sur les transferts doit être étendue dans la matrice poreuse sur une zone de la taille des grains pour l’écoulement et sur une zone dépendant du coefficient de diffusion du traceur ainsi que du temps de séjour moyen de celui-ci pour le transfert des solutés / Flow and transport modeling through porous media is of primary concern nowadays, especially in order to progress in the understanding of pollutant transfers through soils. Soils present frequently heterogeneities such as macropores (caused by fauna, flora or cracks) and several numerical models use double or multi permeability concepts in order to take into account all flow types that may exist in such porous systems. Nevertheless, classical models seem underestimate the macropore effect on preferential flow and transport by restricting the preferential flow zone only to the volume occupied by the macroporosity. Various experimental studies prior to this thesis have questioned this hypothesis. This study proposes to understand the establishment of preferential flow and transport and in particular the mechanism of flow and solute exchanges between a synthetic macropore and a surrounding porous matrix in saturated condition. For this purpose, water tracing are realized for a model porous media constituted by glass beads, crossed by a synthetic macropore and implemented in laboratory columns. Breakthrough and transport in columns are characterized by monitoring the concentration at the end of the column by magnetic nuclear resonance. A numerical model developed on the basis of lattice-Boltzmann method is used to simul ate flow in macroporous system and identify preferential flow mechanisms at pore scale. Experimental data show that tracer transport is strongly dependent on injection flow rate and the diffusion coefficient in water. At high flow rate, the transport seems to occur exclusively in the macropore, with very little masse exchange with the porous matrix. At lower flow rates, the breakthrough exhibits an inflexion followed by a peak. The MRI images show a significant mass exchange of tracer between the macropore and the surrounding porous matrix. The numerical simulations are used to calculate the flow field in a porous system as a function of flow rate. They show that preferential flow is extended in porous matrix into a zone of same dimension the mean diameter of beads regardless of macropore size or injected flow rate, in the range of simulated flow rates. These experimental and numerical results show that macropore influence on transport should be extended through the surrounding porous matrix into a zone of the same size of grains diameter for flow and into a zone depending on diffusion coefficient as well as mean residence time of the studied tracer for solute transport

This thesis is concerned with the new formulation of a finite-volume lattice Boltzmann equation method and its implementation on unstructured meshes. The finite-volume discretization with a cell-centered tessellation is employed. The new formulation effectively adopts a total variation diminishing concept. The formulation is analyzed for the modified partial differential equation and the apparent viscosity of the model. Further, the high-order extension of the present formulation is laid out. Parallel simulations of a variety of two-dimensional benchmark flows are carried out to validate the formulation. In Chapter 1, the important notions of the kinetic theory and the most celebrated equation in the kinetic theory, ‘the Boltzmann equation’ are given. The historical developments and the theory of a discrete form of Boltzmann equation are briefly discussed. Various off-lattice schemes are introduced. Various methodologies adopted in the past for the solution of the lattice Boltzmann equation on finite-volume discretization are reviewed. The basic objectives of this thesis are stated. In Chapter2,the basic formulations of lattice Boltzmann equation method with a rational behind different boundary condition implementations are discussed. The benchmark flows are studied for various flow phenomenon with the parallel code developed in-house. In particular, the new benchmark solution is given for the flow induced inside a rectangular, deep cavity. In Chapter 3, the need for off-lattice schemes and a general introduction to the finite-volume approach and unstructured mesh technology are given. A new mathematical formulation of the off-lattice finite-volume lattice Boltzmann equation procedure on a cell-centered, arbitrary triangular tessellation is laid out. This formulation employs the total variation diminishing procedure to treat the advection terms. The implementation of the boundary condition is given with an outline of the numerical implementation. The Chapman-Enskog (CE) expansion is performed to derive the conservation equations and an expression for the apparent viscosity from the finite-volume lattice Boltzmann equation formulation in Chapter 4. Further, the numerical investigations are performed to analyze the apparent viscosity variation with respect to the grid resolution. In Chapter 5, an extensive validation of the newly formulated finite-volume scheme is presented. The benchmark flows considered are of increasing complexity and are namely (1) Posieuille flow, (2) unsteady Couette flow, (3) lid-driven cavity flow, (4) flow past a backward step and (5) steady flow past a circular cylinder. Further, a sensitivity study to the various limiter functions has also been carried out. The main objective of Chapter6is to enhance the order of accuracy of spatio-temporal calculations in the newly presented finite-volume lattice Boltzmann equation formulation. Further, efficient implementation of the formulation for parallel processing is carried out. An appropriate decomposition of the computational domain is performed using a graph partitioning tool. The order-of-accuracy has been verified by simulating a flow past a curved surface. The extended formulation is employed to study more complex unsteady flows past circular cylinders. In Chapter 7, the main conclusions of this thesis are summarized. Possible issues to be examined for further improvements in the formulation are identified. Further, the potential applications of the present formulation are discussed.

Les extensions bifluides des méthodes Lattice Boltzmann à frontière libre utilisent généralement des pseudopotentiels microscopiques pour modéliser l'interface. Nous avons choisi d'orienter nos recherches vers une méthode Lattice Boltzmann à capture d'interface où la fraction massique d'un des deux fluides, inconnue, est transportée. De nombreux travaux ont montré les difficultés des méthodes Lattice Boltzmann à traiter des systèmes bifluides, et ce d'autant plus que le ratio de densité est important. Nous expliquerons l'origine de ces problèmes en mettant en évidence le manque de diffusion numérique pour capturer précisément les discontinuités de contact. Pour régler cet obstacle, nous proposerons une formulation Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) des méthodes Lattice Boltzmann. Cela permet de séparer le traitement des ondes matérielles de celui des ondes de pression. Une fois l'étape ALE terminée, une phase de projection ramène les variables sur la grille eulérienne de calcul initiale. Nous expliquons comment obtenir une procédure de projection ayant une précision d'ordre 2 et une interface fine et dépourvue d'oscillations. Il sera montré que la fraction massique satisfait un principe du maximum discret et qu'elle reste donc entre 0 et 1. Les simulations numériques sont en accord avec la théorie. Même si notre méthode n'est pour le moment utilisée que pour simuler des écoulements de fluides non visqueux (Equations d'Euler), nous sommes convaincus qu'elle pourra être étendue à des simulations d'écoulements bifluides visqueux. / Two-fluid extensions of Lattice Boltzmann methods with free boundaries usually consider ``microscopic'' pseudopotential interface models. In this paper, we rather propose an interface-capturing Lattice Boltzmann approach where the mass fraction variable is considered as an unknown and is advected. Several works have reported the difficulties of LBM methods to deal with such two-fluid systems especially for high-density ratio configurations. This is due to the mixing nature of LBM, as with Flux vector splitting approaches for Finite Volume methods. We here give another explanation of the lack of numerical diffusion of Lattice Boltzmann approaches to accurately capture contact discontinuities. To fix the problem, we propose an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation of Lattice-Boltzmann methods. In the Lagrangian limit, it allows for a proper separated treatment of pressure waves and advection phenomenon. After the ALE solution, a remapping (advection) procedure is necessary to project the variables onto the Eulerian Lattice-Boltzmann grid.We explain how to derive this remapping procedure in order to get second-order accuracy and achieve sharp stable oscillation-free interfaces. It has been shown that mass fractions variables satisfy a local discrete maximum principle and thus stay in the range $[0,1]$. The theory is supported by numerical computations of rising bubbles (without taking into account surface tension at this current state of development).Even if our methods are currently used for inviscid flows (Euler equations) by projecting the discrete distributions onto equilibrium ones at each time step, we believe that it is possible to extend the framework formulation for multifluid viscous problems. This will be at the aim of a next work.